主轴和轴座工艺研究

1研究背景

主锯是连续压机生产线砂锯工段中最核心的部件，主锯将以高转速3000r/min、深切削180mm、大进给250～350mm/min完成对人造板持久往复的大厚度、高效率锯切，因此对其运动精度、结构刚度、可靠性等要求较高。主轴和轴座是主锯的两大主关件，其与高精度的配对轴承组成固定端，与高刚性内移式滚柱轴承组成浮动端。主轴和轴座以回转中心为基准有一系列的精密形位要求，精度要求甚至在4级以上，成为工艺制定的重中之重。因此，有必要对主轴和轴座的加工工艺进行深入研究，以找出保证主轴和轴座加工质量的最佳方法［1－3］。

2主轴精度的保证

主轴结构如图1所示，主轴轴承挡、锯片安装外圆及大端面跳动度三项是设计主关项次，是主轴运动精度保证的目标。从工艺分析来看，获得高精度的中心孔定位是实现各主关项次的保证。从质量控制来看，正是这三项次的合格率较低导致了主轴质量的不稳定，下面对影响主轴加工精度的各因素进行分析。(1)中心孔定位是精密回转类零件在磨床上常用的定位方式，磨制中心孔可获得较高的形位精度，其同轴定位精度可达0.001mm。(2)中心孔主要分为角度型中心孔、窄边型角度中心孔、球面中心孔等。角度型中心孔因与顶尖的接触面积大而具有定位刚性高的优点，但也因为接触面大导致定位误差较大，常用于重载零件的定位;窄边型角度中心孔是角度型中心孔的延伸，通过减少接触面提高了定位精度，但刚性有所削弱，常用于精密零件定位;球面中心孔因定位为线接触，降低了对中心孔的要求，但刚性较低，通常用于特殊场合的定位。主轴采用一端60°中心孔定位、一端窄边60°倒角定位，这样可同时满足轻载和精度高的要求。(3)主轴的精度取决于中心孔的定位精度，中心孔不同轴也是主轴无法获得高跳动形位精度的主要原因。从分析可以看出，其中心孔公共轴线同轴度算法为H×b/L，对主轴来说为中心孔长度b=6mm，工件长度L=300mm，如中心孔平行误差H=1mm时，同轴度也只有6×1/300=0.02mm。看来影响并不大，但因为顶尖对中心孔只有局部定位，使得圆度、同轴度等形位公差大打折扣，而且其形成的周期性误差将成为以后主锯振动的主要来源，既无法实现二次定位的统一，也使重复修复、第三方机下测量变得不可操作。所以通过研磨中心孔来提高其圆度和同轴度作为定位基准非常必要。(4)提高中心孔定位精度的措施如下:在车床上打中心孔应尽量提高其同轴度，在车床上粗研、磨床上精研，使中心孔定位精度与磨床顶尖精度一致。(5)从工艺性来看，应一次定位安排轴承挡、锯片定位外圆及大端面一起磨出，实现基准的统一。(6)从测量方法上看，三座标测量是轴承挡对锯片定位外圆“圆对圆”的方式，偏摆仪测量是轴承挡对锯片定位外圆“公共轴线”的方式，所以三座标测量比偏摆仪测量更为严格。但通过中心孔研磨改变了原来大幅超差的状况，保证了主轴三座标法测量轴承挡与锯片定位外圆及大端面不大于0.005跳动度的实现。(7)通过中心孔的研磨，实现了主轴精度的大幅度提高，通过这种精度冗余，在质量控制上保证了主轴的形位精度。(8)在主轴的外协加工中常常无法同时保证三项精度的实现，通过研磨中心孔圆度和同轴度，即使在公司老旧的外圆磨上也可保证不大于0.005各主关项次的实现。

3轴座精度的保证

轴座结构如图2所示，其是主锯的机架，是实现主锯精度和刚度的基础。轴座最重要的形位公差是轴承挡的圆柱度和相互的同轴度，其精度为0.006，相当于四级形位公差的军工航天标准，工艺实现非常困难。设计上轴座经历了从两端型向台阶型的工艺改进，将原来的回转镗简化为单向镗;工艺上轴座也经历了从数控车床到加工中心的改变，以机床定位精度为切入点，提高了整个轴座的工艺性和加工精度。长期的工艺实践表明，正是抓住了轴座的工艺性和机床精度这两大关键因素，才保证了轴座同轴度在卧式加工中心的实现。(1)公共轴线同轴度的确立。在同轴度评价中有“孔对孔”和“公共轴线”两种方式。以轴座为例，可以估算出其最小关系为46.5/150，约为1/3，同主轴一样，孔对孔比公共轴线同轴度最小要求也提高为3倍，保证精度的难度和成本都将大幅提高。从主锯的结构上看，理想的主轴相当于轴座的公共轴线，所以用公共轴线评价轴座的同轴度更为经济合理。(2)机床回转工作台精度的影响。在两端型轴座轴承挡同轴度加工中心的加工中，同时需要工作台回转180°和回位换刀，其主要误差来自工作台回转180°的B轴角度定位误差、与回转中心点的X轴线性定位误差以及二次换刀返位后的X、Y轴定位误差，这就需要超高精度的加工中心才能完成，为解决这一问题，在工艺上将双端型轴座改为单向型轴座。(3)机床返位换刀精度的影响。在单向型轴座轴承挡孔同轴度加工中心的加工中，时常也有精度超差的情况，这是因为加工台阶孔需要换刀，二次返位换刀的定位精度直接影响了同轴度精度，其同轴误差还是定位误差的2倍。在机床定位精度未及时调整及累计下降时，将严重影响轴座高精度同轴度的实现。手工换刀法可弥补机床的这一缺陷，其是在最后的轴承孔精镗时不使用自动换刀而采用手动换刀，锁定刀具的X、Y坐标不动，从而排除了X、Y轴定位精度的影响，保证了同轴度的精度。(4)机床Z轴轨迹精度的影响。加工中心上手工换刀虽然消除了X、Y轴定位精度的影响，但Z轴的轨迹精度影响依然存在，即前后轴承孔的Z轴加工轨迹不一致，只要存在Z轴直线误差就会影响同轴精度的实现。在生产中可采用双刀法解决这一问题，双刀法就是一柄镗排的前后配有两把镗刀，同时完成两轴承挡上轴承孔的加工，同一Z轴加工轨迹避免了机床Z轴精度误差的影响，进一步保证了“孔对孔”同轴精度的实现。(5)工艺分析表明，工作台回转精度和三轴定位精度是旧加工中心维修的主要目标，购置新加工中心时这也是需要考虑的主要因素。(6)采用手工换刀法和双刀法，即使在失去精度的老旧机床上也能保证0.006同轴度的实现。

4小结

(1)主轴加工时，通过中心孔的同轴研磨可保证主轴各项形位误差不大于0.005。(2)轴座加工时，通过在卧式加工中心上手工换刀可保证轴座0.006公共轴线同轴度的实现。

参考文献:

［1］关晓平，李洪杰，王兴博，等．数控裁板锯切削主轴的可靠性分析［J］．林业机械与木工设备，2014(5):35－37．

［2］杨家武，刘梦龙．数控车床附加主轴设计及有限元分析［J］．森林工程，2015(3):63－66．

［3］吐尔洪•阿布都．多种热磨机主轴组合的解剖分析及组合轴承间隙调整工艺研究［J］．林业机械与木工设备，2015(6):22－24．

作者:刘茹 单位:苏州苏福马机械有限公司